Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620 
·
Датчиков ядовитых газов
Основными поставщиками этих приборов являются фирмы
·
PAX Analytics Inc.
·
Senco Sensors Inc.
·
Monox Limited.
·
RS-Components
·
Capteur
Подробные сравнительные характеристики датчиков приведены в [7]
и [8]/
В отличии от остальных комплектующих прибора, при
выборе газового датчика следует принимать во внимание соображения доступности
тех или иных приборов( цена, возможность приобретения в России ). При выборе
сенсора RS 286-620 во внимание принимались и эти соображения. Как
показали эксперименты, данный тип сенсора не обладает хорошей повторяемостью
результатов на различных экземплярах датчика. Необходима индивидуальная
калибровка каждого датчика для газового анализатора.
Основные требования, предъявляемые к датчику:
1.
Повторяемость
результатов измерений (термограмм) при замене датчика.
2.
Низкая тепловая
инерционность датчика.
3.
Температура датчика
не менее 250оС при напряжении на нагревателе 5В.
При выборе микроконтроллера для прибора выдвигались
следующие требования
·Совместимость уровней и длительностей сигналов с
остальными блоками системы экологического мониторинга.
·Возможность прямой адресации не менее 64 К Байт
внешней памяти.
·Удобство при программировании.
·Минимальное количество периферийных элементов.
·Невысокая
стоимость.
Вовремя предыдущих разработок на кафедре был накоплен
богатый опыт работы с микропроцессорами семейства MCS-51. Для ускорения
разработки микроконтроллер для прибора выбирался из модельного ряда MCS-51.
Ниже приведены сравнительные характеристики некоторых
микроконтроллеров этого семейства.
80 C 51
BH – 8 разрядный MCS-51 совместимый
микроконтроллер. 4Кбайт ПЗУ. 128 байт ОЗУ. 4 порта ввода/вывода. 2 программируемых 16-ти
разрядных таймера. 1 последовательный порт.
80 C 51
FA – 8 разрядный MCS-51 совместимый
микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. 4 порта
ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти разрядных таймера. 1
последовательный порт.
80 C
31 – 8 разрядный MCS-51 совместимый
микроконтроллер. 128 байт ОЗУ. 4 порта
ввода/вывода. 2 программируемых 16-ти разрядных таймера. 1 последовательный порт.
80 C
32 – 8 разрядный MCS-51 совместимый
микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. 4 порта
ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти разрядных таймера. 1 последовательный порт.
87 C 51
FC – 8 разрядный MCS-51 совместимый
микроконтроллер. 32Кбайт ПЗУ. 256 байт ОЗУ. 4 порта
ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти разрядных таймера. 1 последовательный порт.
В качестве
основы процессорной части прибора был взят микроконтроллер класса 80C51BH производства компании Atmel - АТ89С51.
Подробные
характеристики микроконтроллеров семейства MCS-51 приведены в [16], а описание микросхемы АТ89С51 – в [9].
Назначением измерительной части прибора является
измерение сопротивления на чувствительном элементе газового датчика, его
преобразование в цифровой код и дальнейшая передача этого кода в микропроцессор
для обработки. Сопротивление датчика определяется по падению напряжения на нем.
Поскольку ток, протекающий через чувствительный элемент датчика является
величиной того же порядка, что и токи протекающие по измерительным цепям
современных аналого-цифровых преобразователей, то для устранения искажений от
АЦП необходимо применить гальваническую развязку. В качестве такой развязки
целесообразно применять операционный усилитель с единичным коэффициентом
усиления.
При выборе микросхемы АЦП основными критериями отбора
являются следующие
1.Диапазон
измеряемых напряжений 0-5 В.
2.Точность
измерений не хуже 1%
3.Совместимость
сигналов с микропроцессором.
4.Удобство
управления и обмена информацией.
При проектировке прибора из-за нехватки свободных
портов микроконтроллера было решено использовать АЦП с последовательным
интерфейсом. После детального рассмотрения имеющихся комплектующих круг выбора
был сужен до двух изделий - микросхем AD7893 и AD 7896. Окончательный выбор
был сделан в пользу последней, как более доступной.
При выборе микросхемы операционного усилителя основным
критерием при выборе была линейность всего измерительного блока. Проводились
испытания блока с микросхемами AD832, AD820,AD282. Лучший результат по
линейности соответствует блоку на базе AD820. Соответствующая
вольт-кодовая характеристика приведена в Приложении 8.
Для отображения результатов измерений и служебной
информации необходимо применение точечно-матричного индикатора. В настоящее
время существует 3 основных семейства устройств отображения информации-
вакуумно - люминесцентные, светодиодные и жидкокристаллические.
Вакумно- люминесцентные приборы требуют относительно
высоких (порядка 30-50 В) напряжений питания и дополнительных цепей питания
переменного тока для обеспечения прогрева катода. Применение такого устройства
отображения в данном приборе существенно увеличило бы его сложность и габариты.
Матричные светодиодные устройства отображения
изготавливаются в виде относительно небольших матриц (как правило 7х5 или 8х8
элементов). Одного такого устройства достаточно для отображения одного символа.
Для работы прибора необходимо одновременное отображение по, крайней мере, 12-15
символов. При сборке устройства отображения , удовлетворяющего таким
требованиям из отбельных элементов по 1 символу возникают определенные
технологические трудности, связанные с размещением большого количества
электрических цепей на плате устройства отображения информации.
Жидкокристаллические устройства отображения информации
лишены недостатков, присущих двум первым типам устройств отображения. Из-за этого
и благодаря малому энергопотреблению они получили наиболее широкое
распространение в современной технике.
Управление точечно-матричным устройством отображения
организовано при помощи вертикальных и горизонтальных электродов, на
пересечении которых расположены отдельные элементы отображения
информации-точки. При подаче напряжения на один из горизонтальный электродов
(строку изображения) на вертикальных электродах должны быть выставлены уровни
напряжения, соответствующие активности элементов изображения в данной строке.
При снятии напряжения со строки эти уровни должны быть сняты и вновь выставлены
при активизации следующей строки. После того, как поочередно будут активированы
все строки изображения цикл отображения должен быть повторен. При достаточно большой
частоте активации строк человеческий глаз воспринимает изображение как
неподвижное.
Для обслуживания устройства отображения необходимы
существенные затраты ресурсов прибора, либо выделение отдельного блока,
предназначенного для управления отображением информацией.
В приборе в качестве устройства отображения
применяется стандартный ЖК модуль со встроенными схемами управления LM44780.
Благодаря удобству интерфейса модуль удалось включить непосредственно в шину
данных-адреса, что позволило избежать дополнительной загрузки портов
микроконтроллера.
Краткое описание и основные
характеристики устройства отображения информации приведены в приложении 9.
Сенсор RS 286-620 производства RS-Components
представляет собой тонкопленочный полупроводниковый датчик для определения
загрязненности воздуха. Датчик состоит из нагревателя и тонкопленочного
чувствительного элемента. Частицы примесей, содержащиеся в окружающем датчик
воздухе, адсорбируются на поверхности чувствительного элемента. Чувствительный
элемент, состоящий из полупроводника, при адсорбции на его поверхности примесей
приобретает дополнительные донорные или акцепторные уровни в запрещенной зоне.
При подаче напряжения на нагреватель датчика температура полупроводника и
кинетическая энергия электронов в нем возрастает. При достижении температурой
определенного критического значения доля электронов, способных преодолеть
запрещенную зону между верхним краем валентной зоны и энергетическим уровнем
примеси-акцептора (либо между донорным уровнем примеси и нижним краем зоны
проводимости) становиться достаточной для обеспечения заметного тока через
чувствительный элемент. При длительном прогреве датчика молекулы примеси
испаряются с поверхности чувствительного элемента (происходит
самовосстановление датчика).
Фирмой-изготовителем предлагается определять степень
загрязненности воздуха, измеряя проводимость датчика при постоянном значении
температуры чувствительного элемента. Тогда может быть установлено соответствие
между загрязненностью воздуха и проводимостью датчика.
Различные вещества-загрязнители создают примесные
уровни в на различном удалении от границы зоны проводимости. Для забрасывания
электронов на эти уровни необходимо по-разному нагреть полупроводник. Кроме того,
каждое вещество характеризуется определенной зависимостью адсорбции от
температуры поверхности.
Поэтому при фиксированной температуре датчика по
величине тока через чувствительный элемент, загрязненный тем или иным
веществом, можно пытаться судить о том, какое именно вещество адсорбировано на
поверхности датчика. Изменяя температуру датчика в некотором интервале, можно
попытаться определить химический состав газовой смеси, окружающей датчик. При
более низких температурах проводимость датчика будет обусловлена, в основном,
примесями, с уровнями, расположенными ближе к границе запрещенной зоны. С
ростом температуры свой вклад в суммарную проводимость примесей, уровни которых
более удалены от границы зоны проводимости возрастает.
В процессе работы над прибором
проводилось изучение характеристик газового датчика RS 286-620. Датчик имеет
следующие характеристики:
Максимальное напряжение на нагревателе 5
В
Максимальное напряжение на сенсоре 5
В
Максимальная рассеиваемая нагревателем мощность
0,8 Вт
Максимальная температура нагревателя
300 оС
Сопротивление нагревателя при Т=20 оС
29,5 Ом
Сопротивление нагревателя при Т=300 оС
31,0 Ом
Время прогрева датчика от Т=20 оС до Т=300 оС
60 сек
Подробные характеристики, схема датчика, и зависимости
характеристик нагревателя от температуры приведены в Приложении 7.
В изолированном атоме энергетический спектр электронов
дискретный. Заполнение энергетических уровней осуществляется по определенным
правилам. При этом в s-состоянии может находиться 2 электрона в p-6, в d-10,
f-14 и g-18 электронов. При образовании кристалла в результате химического
взаимодействия валентные электроны соседних атомов обобществляются, и
дискретные уровни расщепляются в энергетические зоны, которые могут быть
заполненными или свободными, в зависимости от заполнения соответствующих
атомных уровней.
В кристаллах полупроводников можно выделить 3
энергетических зоны: Валентную зону, полностью заполненную
электронами. Запрещенную зону – зону, в которой нет энергетических уровней (в
чистом полупроводнике ). Электроны находиться в этой зоне не могут. Зону
проводимости, свободную от носителей заряда.
Если электрон из валентной зоны возбуждается в зону
проводимости, то в валентной зоне остается его вакансия (дырка), при
перемещении которой по кристаллу переносится положительный заряд. Таким образом
заряд в кристалле может переноситься электронами, находящимися в зоне проводимости
и дырками, находящимися в валентной зоне. В идеальном кристалле, в котором
отсутствуют дефекты и посторонние примеси (такой полупроводник называется
собственным), количество свободных электронов, электронов в зоне проводимости,
(n) равно количеству дырок(p), равно некоторой характеристической величине,
которая называется собственной концентрацией (ni): n=p=ni.
Чем
уже запрещенная зона, тем больше в полупроводнике термически возбужденных
свободных носителей заряда. Концентрации свободных электронов и дырок в
собственном полупроводнике зависят от температуры по экспоненциальному закону.
n=Nc
exp(-(Ec-F)/kT)
p=Nv
exp(-(F-Ev)/kT)
np= Nv
Nc exp(-(Ec-F)/kT) exp(-(F-Ev)/kT)= Nv
Nc exp(-(Eg)/kT)=ni2
Nc =2(2pmn kT/h2) 3/2
Эффективная плотность состояний в зоне проводимости .
Nv =2(2pmp kT/h2) 3/2
Эффективная плотность состояний в валентной зоне .
Где F-энергия уровня Ферми, mn mp эффективные
массы электрона и дырки соответственно.
Положение уровня Ферми
находят из условия электронейтральности для собственного полупроводника т.е.:
n=p. Откуда: F=1/2(Ec+Ev)+kT/2ln(mp/mn), т.е. при низких
температурах уровень Ферми лежит около середины запрещенной зоны и с повышением
температуры постепенно смещается к зоне проводимости.
Наличие в кристалле примесей и дефектов
приводит к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней, положение
которых зависит от типа примеси или дефекта. Так, например, примесные атомы B
(3 группа периодической таблицы элементов) в кристалле Si принимают электроны
из валентной зоны, что ведет к образованию дырок и возникновению дырочной
проводимости (легированный акцепторной примесью материал приобретает
проводимость "Р" типа). Атомы P (5 группа) в кристалле Si отдают
электроны в зону проводимости, что приводит к возникновению электронной
проводимости (легированный донорной примесью материал приобретает проводимость
"N" типа).
При
ионизации акцепторного атома, он захватывает электрон и заряжается
отрицательно, при этом в валентной зоне кристалла появляется свободная дырка.
При низких температурах большая часть акцепторной примеси не ионизована и
уровень Ферми расположен между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем.
При повышении температуры число электронов, переходящих из валентной зоны на
акцепторный уровень возрастает, соответственно возрастает и концентрация
дырок(область 1 на правой верхней диаграмме). При этом уровень Ферми
приближается к акцепторному уровню (левая диаграмма). При некоторой температуре
вся примесь оказывается ионизованной и концентрация дырок (возникших за счет
акцепторов), перестает изменяться (область 2 на диаграмме). Это область
истощения акцепторной примеси (уровень Ферми в этой области выше акцепторного
уровня). При дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда
концентрация носителей заряда, возникающих при возбуждении электронов из
валентной зоны в зону проводимости становится больше концентрации акцепторной
примеси и зависимость концентрации дырок от температуры принимает такой же вид,
что и в собственном полупроводнике (участок 3), при этом уровень Ферми
находится вблизи середины запрещенной зоны.
При
ионизации донорного атома, он отдает электрон в зону проводимости и заряжается
положительно. При низких температурах большая часть донорной примеси не
ионизована и уровень Ферми расположен между дном зоны проводимости и донорным
уровнем. При повышении температуры число электронов, переходящих с донорного
уровня в зону проводимости возрастает, соответственно возрастает и концентрация
свободных электронов (область 1 на правой верхней диаграмме). При этом уровень
Ферми приближается к донорному уровню (левая диаграмма). При некоторой
температуре вся примесь оказывается ионизованной и концентрация электронов
(возникших за счет ионизации доноров), перестает изменяться (область 2 на
диаграмме). Это область истощения донорной примеси (уровень Ферми в этой
области ниже донорного уровня). При дальнейшем увеличении температуры,
наступает момент, когда концентрация электронов, возникающих при их возбуждении
из валентной зоны в зону проводимости становится больше концентрации донорной
примеси и зависимость концентрации электронов от температуры принимает такой же
вид, что и в собственном полупроводнике (участок 3), при этом уровень Ферми
находится вблизи середины запрещенной зоны.
Газовые датчики представляют из себя тонкую ( около 80-100 микрон
) полупроводниковую пленку, размещенную на поверхности нагревательного
элемента. В отсутствии внешнего загрязнителя проводимость сенсора мала и
обусловлена движением только электронов, переброшенных из валентной зоны в зону
проводимости (собственная проводимость кристалла ). При адсорбции на
поверхности пленки молекул примеси в запрещенной зоне полупроводника образуются
дополнительные примесные уровни. Очевидно, что плотность состояний на таком
уровне будет прямо пропорциональна количеству примеси, осевшей на поверхности
полупроводниковой пленки. Примесная проводимость полупроводника пропорциональна
количеству носителей заряда, освободившихся при ионизации примеси. Поэтому
примесная проводимость полупроводника пропорциональна количеству осевших на
его поверхности атомов примеси. Принцип действия измерителей загрязненности
воздуха на полупроводниковых детекторах основан на измерении примесной
проводимости датчика.
Количество электронов, выброшенных в зону проводимости
с уровня донорной примеси описывается соотношением
nd=Nd * (1+exp(-(Ed-F)/kT))
–1 (1)
Количество электронов, захваченных акцепторной
примесью из валентной зоны описывается соотношением
na=Na * (1+exp(-(F-Ea)/kT))
–1 (2)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
|
